1. 서 론
지열에너지는 연중 일정하게 유지되는 지중의 온도를 활용하는 친환경 에너지원으로서 최근에 화두가 되고 있는 신재생 에너지 정책에 잘 부합하며, 태양에너지,
풍력에너지와 더불어 대체 에너지로서 많은 각광을 받고 있다. 특히 지중열교환기 시스템은 이산화탄소 발생저감 및 에너지 절약형 기술임과 동시에 장소에
구애받지 않고 적용할 수 있는 유비쿼터스(ubiquitous)기술이다(Yoon et al., 2011). 지중열교환 장치는 개방형과 밀폐형이 있으며,
밀폐형은 다시 수평형과 수직형으로 구분이 된다. 수평형 열교환기는 도시외곽이나 농촌지역과 같이 넓은 부지에서 적용성이 좋은 반면, 땅이 좁고 밀집지역이
많은 우리나라의 경우, 수직 밀폐형 구조가 보다 더 일반적이다. 수직 밀폐형은 굴착 후 열교환기를 매설하고 그 주위로 그라우트 채움(grouting)을
함으로써 주위 토양과의 열 접촉을 용이하게 하고 토양오염을 방지시킨다. 굴착공의 직경은 보통 10~15cm로서 보어홀의 직경이 작기 때문에 수직 밀폐형에서는
U-type의 지중열교환기가 널리 사용된다.
하지만 천공 시 소요되는 비싼 초기 시공비 문제로 인하여 최근에는 에너지파일로 불리는 새로운 형태의 지중열교환기가 적용되고 있다. 이는 구조물의 말뚝에
지중열교환기를 매입한 형태로써 초기 시공비 문제를 해결할 수 있으며, 구조적으로도 안정성을 취할 수 있는 장점이 있다(Ministry of Science
and Technology, 2006). 에너지파일은 수직 밀폐형에 비해 보어홀의 직경이 크고 길이는 짧기 때문에 열 효율 증대를 위한 다양한 열교환기가
사용되며, U-type 이외에 W-type 및 3U-type 등의 열교환기가 사용된다.
에너지파일의 열적 거동에 영향을 주는 가장 중요한 인자는 파일 내부의 열 저항과 파일을 둘러싸고 있는 지반의 열 물성이다. 에너지파일의 열효율을 증가시키기
위한 기존 연구들이 많이 수행되고 있지만(Song, 2011; Bourne-Webb et al., 2009; Sohn and Choi, 2012)
대부분 기계적 관점 혹은 말뚝 내부적 관점에서의 성능 개선에 초점을 맞추고 있을 뿐, 지반의 조건을 고려한 에너지파일에 대한 연구는 미미한 실정이다.
본 연구는 지반 공학적 관점에서 지반의 조건 변화가 에너지파일의 열 거동에 미치는 영향에 대해서 분석해보고, 지반의 열전도도 변화를 고려한 설계 기준을
보완하고자 하는데 그 의미가 있다. 또한 군 말뚝에서 장기적 거동 시에 발생하게 되는 파일 간 열 간섭 현상에 대해서 구명해보고, 열 간섭을 최소화
할 수 있는 파일 간 최소 이격 거리를 제시하였다. 그리고 지반의 조건변화, 열 교환기 유형, 운용 방법(연속 또는 부분가동), 군 말뚝에 의한 간섭
효과를 주요 영향 인자로 설정하여 이들 인자에 대한 에너지파일의 단기적 열적 성능을 비교 분석하였다.
2. 에너지파일의 거동 해석을 위한 수치모델
본 연구에서는 유한요소 프로그램인 COMSOL Multiphysics 4.3a (Comsol multiphysics, 2012)를 이용하여 에너지파일의
성능 및 열 거동 해석을 위한 수치해석모델을 만들었다. COMSOL Multiphysics는 Computational Fluid Dynamic (CFD)
해석을 통해 파이프 라인에서의 유체의 흐름을 모사하며, 파이프 주변 매질과의 열 교환을 연계하여 해석을 할 수 있다. 본 연구에서 개발된 수치해석모델의
지배방정식은 열 교환기 내부 순환수에 의한 대류 및 전도와 그라우트 및 PHC 말뚝, 지반 매질에 의한 열 전도를 포함하고 있다.
2.1 지반에서의 열 전달
지반에서의 열 전달은 크게 전도(conduction), 복사(radiation), 그리고 대류(convection)의 형태로 이루어진다. 이 중 열전도는
물질 내 인접하는 분자들 사이의 온도경사에 의해 발생하는 열 이동 메커니즘이며, 항상 온도가 높은 영역에서 낮은 영역으로 이동하되, 두 영역의 온도가
평형상태에 도달할 때까지 진행이 된다. 열전도도는 두께가 1m인 평판에 1Kelvin의 열이 가해졌을 때 전달되는 열의 양을 Watt로 측정하여 나타내고
단위는 W/mK로 표현될 수 있다.
한편, 지하수의 흐름이 없거나 투수계수가 매우 낮은 지반의 경우, 대류 또는 이류의 영향은 미미한 것으로 고려할 수 있다(Rees et al., 2000).
따라서 본 연구에서는 지반의 열 전달은 전도의 형태로 유발된다고 고려하였으며 이는 Eq. (1)의 전도 방정식으로 표현될 수 있다(Incropera
and Dewitt, 2002; Lurie, 2008).
(1)
여기서, 는 밀도, 는 비열, 는 파이프 외부의 온도, 는 매질의 열전도도, 는 매질 내부로부터의 열 발생을 의미한다.
2.2 열 교환기 순환수에 의한 열 전달
대류 및 전도에 의한 수치모델의 지배 방정식은 Eq. (2)와 같다.
(2)
여기서 는 순환수의 밀도, 는 파이프의 단면적, 은 파이프 벽면에서의 열 교환에 의해 발생하는 열원을 나타내며, 이는 Eq. (3)에 나타낸 바와 같이 Eq. (1)의 파이프 외부에서 일어나는 열
전달과 중첩된다. Fig. 3은 파이프 벽면에서 순환수
흐름과 파이프 외부 매질 사이에서 열 전달이 서로 연계되는 과정을
보여준다. 또한, 항은 점성에 의한 열 손실을 의미하며,
는 평균 수리학적 지름으로서 (는 윤변길이)로 표현할 수 있다. 또한 는 Darcy의 무차원 마찰계수, 는 접선 속도, 는 순환수의 열전도도를 나타낸다.
(3)
여기서 는 파이프 외부 영역에서의 온도, 는 순환수 온도를 의미한다. 는 열전달계수 (단위: W/m2․K)와 윤변 (단위: m)의 곱으로 표현되며, 파이프 단면이 원형일 경우, 유효 는 Eq. (4)와 같이 나타낼 수 있다.
(4)
여기서 과 은 각각 번째 벽면의 열전도도와 바깥쪽 반경을 나타내고, 와 는 파이프 안쪽과 바깥쪽의 필름 열 전달 계수를 나타낸다.
2.3 수치모델에 적용된 기본 열 물성 및 해석 조건
국내 지반의 지반공학적 특성을 수치모델에 얼마나 정확히 반영시키는가에 따라 그 모델의 신뢰성과 합리성이 보장된다. 이를 위해 본 연구는 수원 호매실
변전소 공사에 이용된 지반조사보고서를 참조하여 지반 물성을 모델에 적용하였다. 말뚝 주변의 지반은 지하수위를 기준으로 불포화층과 포화층으로 나뉘어져
있으며 말뚝의 하반부는 암반층으로 구성되어있다(Fig. 1). 불포화층과 포화층의 열전도도는 교란시료를 채취한 후 현장단위중량과 함수비로 다진 후
탐침시험을 수행하여 측정하였으며, 암반층의 열전도도는 관련문헌(Geothermal design studio, 2012)을 참조하였다. 해석의 간편화를
위해서 다층으로 이루어진 지반을 등가지반으로 환산한 후 열 물성에 대한 해석을 수행하였다. 등가 열전도도를 산정하기 위해서 Eq. (5)와 같은 등가
열전도도 환산식을 이용하였다. 지열설계프로그램에서 가장 널리 사용되는 GLD 2012 프로그램은 Drilling Log Conductivity Calculator라는
새로운 모듈을 통해 다층지반의 열전도도를 고려하고 있는데 Eq. (5)와 같은 등가 열전도도 환산식을 이용하였다. 이는 비동결토의 열 전달은 전도에
의한 열 전달이 지배적이며(Rees et al., 2000), 포화토에서 지하수 흐름을 고려하지 않을 경우, 전도의 방향은 등방성이라고 유추할 수
있기 때문이다. 수치모델에 적용 시 현장조건과 동일한 지층을 모사하는 것이 가장 바람직하지만, 현장조건을 그대로 모사한 경우와 등가 열전도도 환산식을
적용한 경우, 해석결과의 차이가 거의 없음이 확인된 바, 설계적 관점에서 제시되고 있는 Eq. (5)를 모델에 적용하여도 해석 결과에는 큰 영향이
없을 것으로 판단된다.
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Fig. 1. Ground Conditions Used in the Simulations
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Table 1. Input Thermal Properties of Materials Used in the Simulations
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Material
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Thermal conductivity(W/m·K)
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Specific heat capacity(J/kg·K)
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Density
(kg/m3)
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Soil1
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1.10
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1160
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1800
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Soil2
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2.40
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1280
|
2140
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Rock
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3.24
|
823
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2640
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Equivalent ground
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2.11
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1166
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2111
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Grout
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2.02
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840
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3640
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PHC
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1.62
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790
|
2700
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*Polybutylene pipe
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0.38
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525
|
955
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Circulating water
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0.57
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4200
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1000
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*Given by manufacturer
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(5)
PHC 말뚝은 외경 400mm, 내경 240mm, 길이 13.75m로 설정하였고, 수치모델에 적용된 지반, PHC 말뚝, 열 교환 파이프, 순환수
등의 상세 물성치는 Table 1에 요약하여 정리하였다. 지반의 열전도도는 실험을 통해 열전도도 데이터베이스를 구축하여(Hukseflux 사의 TP-08을
이용) 불포화토와 포화토에 대한 열전도도를 산정하였고, 시멘트 그라우트, PHC 파일, PB 파이프, 그리고 순환수의 물성치는 관련 문헌을 참조하였다(Jeong
et al., 2010; Park et al., 2013).
Fig. 4는 열 성능시험의 시뮬레이션을 위한 유한 요소 모델과 열교환기 형태(Fig. 2 참조) 및 배치를 보여준다. 유한요소 모델은 Free tetrahedral
격자망이 사용되었고, 열교환기 벽면의 격자요소 형성은 COMSOL 프로그램의 Pipe flow 모듈에 내장된 wall layer 기능을 이용하였다.
순환수의 투입온도는 30℃, 지반의 온도는 17℃, 순환수의 유속은 0.8m/s로 설정하였다. 말뚝 내부에 설치된 열교환기의 종류는 U-Type,
W-Type, 3U-Type으로 구분하였으며, 군 말뚝 배치는 Case 1과 Case 2의 두 경우를 설정하였다. 에너지파일의 규격 및 열교환기의
총 길이는 Table 3에 명시하였다. 그리고 운용 방법에 따라 연속가동(96시간 연속)과 부분가동(8시간 가동, 16시간 휴지)으로 구분하여 총
140시간의 단기간 해석을 수행하였다.
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Fig. 2. Different Types of Heat Exchanger
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Fig. 3. Coupled Process Between Convective and Conductive Heat Transfer at Heat Exchanger
Wall
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Table 2. Heat Transfer Rate, Average Fluid Temperature and Thermal Resistance (Elapsed
Time: 96 hours)
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Heat
exchanger
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aq
(W/m)
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bTf,m
(℃)
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cRb,m
(mK/W)
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U Type
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42.15
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29.57
|
0.19
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W Type
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49.45
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29.50
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0.14
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3U Type
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51.68
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29.48
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0.12
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aHeat transfer rate at steady state
bMean fluid temperature
cAverage borehole thermal resistance
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Table 3. Dimensions of Energy Piles and Total Length of Heat Exchanger
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Dimensions of Energy piles[m]
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Total length of heat exchanger
[m]
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Heat
exchanger
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aDgrout
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bDPHC
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single
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Case 1
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Case 2
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U
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0.24
|
0.4
|
27.13
|
54.26
|
135.7
|
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W
|
0.24
|
0.4
|
44.83
|
89.67
|
224.15
|
|
3U
|
0.24
|
0.4
|
63.49
|
126.98
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317.45
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aInner diameter of PHC
bOuter diameter of PHC
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Fig. 4. Finite Element Model for Simulation and Heat Exchanger’S Type Used in Model
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3. 에너지파일 열 거동의 영향 인자
3.1 주변지반의 열전도도 및 열 교환기의 형태에 따른 열거동
에너지파일을 이용한 지중열교환 시스템에서 순환수 온도가 정상상태에 도달하게 되면 순환수 평균온도와 파일 벽면의 온도차가 열 교환율에 비례하는 경향을
가지는데, 이때의 비례상수는 에너지파일의 열 저항으로 정의가 된다.
(6)
여기서 는 순환수 평균온도(℃) 는 PHC 파일 벽면에서의 온도(℃), 는 열교환율(W/m)을 나타낸다. 이렇게 산정된 에너지파일의 열 저항과 열교환율은 지중열교환 시스템의 핵심적 설계 요소라고 할 수 있다. 즉, 열
저항과 열 교환율의 정확한 산정이 지중열 시스템의 합리적인 설계를 견인하게 된다.
지열 에너지파일은 크게 PHC 파일과 열 교환기, 그리고 그 사이를 채워주는 속 채움재로 구성되는데, 일반적으로 에너지파일의 열 저항에 영향을 주는
주된 인자는 열 교환기의 배치와 속 채움재의 열전도도로 국한된다고 알려져 있다(Incropera and Dewitt, 2002). 이는 에너지파일의
열 저항은 말뚝의 내부적 요소에만 영향을 받을 뿐, 말뚝을 둘러싸고 있는 지반의 열전도도의 영향은 미미하다고 판단하는 것이다. 기존 연구자들이 고려한
지반의 열전도도 값은 1.5~3 W/mK로서, 이 범위 내에서 지반의 영향은 실제로 미미하다(Du and Chen, 2011; Ozudogru et
al., 2012; Sagia et al., 2012). 그러나 실제 지반의 열전도도는 지반의 조건에 따라 변동성이 커질 수 있는데 설계자의 입장에서
이러한 점을 간과하기 쉽다. 본 연구는 수치모델을 통하여 지반의 다양한 열 물성에 따른 시스템 열 교환율과 열 저항에 대한 각각의 변화 양상을 살펴보았다.
Fig. 5(a)와 같이 일정시간이 지나 열 평형상태에 도달하게 되면 시스템의 열 교환율도 거의 일정한 값으로 수렴하는 양상을 보이게 된다. 지반의
열전도도의 범위를 1.2~2.6 W/mK 로 변화시키며 해석을 수행한 결과, 열 교환율뿐 아니라 파일의 열 저항도 차이를 보임을 확인할 수 있었다(Fig.
5(b)).
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(a) Heat Efficiency of Pile
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(b) Thermal Resistance of Pile
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Fig. 5. Thermal Behavior According to the Variation of Thermal Conductivity of Soil
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한편, 지중열교환 시스템에 사용되는 열 교환기의 유형에는 U-Type, W-Type, 3U-Type 등이 있으며, 수직 밀폐형의 경우 U-Type이
가장 널리 사용되고 있다. 하지만 최근 들어 에너지파일의 수요가 늘어남에 따라 W 및 3U-Type의 열 교환기 사용이 빈번해지고 있다. 이들 열
교환기는 U-Type에 비해서 매질과의 열 접촉 면적이 넓어 짧은 말뚝 길이에서도 열 교환 효율을 증대시킬 수 있다. Fig. 6은 Fig. 1에
도시된 지반조건(지하수위 4.5m)에 대한 열 교환기 유형 별 열 교환율과 순환수 평균온도의 변화 양상을 보여준다. 96시간 경과 시 정상상태에 거의
도달하며, 그때의 열 교환율은 U-Type이 약 42 W/m, W 및 3U-Type이 각각 49 W/m와 52 W/m로 나타났다. 반면, 입출구 순환수
평균온도(유입온도: 30℃)는 각각 29.57℃, 29.50℃, 29.48℃로서 U-Type에서 가장 높게 나타났다. 이는 열 교환율이 상대적으로
낮은 U-Type이 입출구 온도차를 가장 적게 만들기 때문이다. 또한 Eq. (6)의 관계식에 의해서 산정된 파일의 열 저항 값은 U-Type이 약
0.19 m·K/W, W와 3U-Type이 각각 0.14 m·K/W, 0.12 m·K/W으로 수렴하였다(Table 2). 일반적으로 보어홀 내부의
열원이 PHC 벽면에 가까이 존재할수록 속 채움재에 의한 열 손실이 적어져서 파일의 전체 열 저항은 낮아지게 된다. U-Type은 열원이 보어홀 중심에
몰려있는 반면 W나 3U-Type 은 열원이 PHC 벽면 가까이 붙어있기 때문에 열원 접촉 면적 증가와 더불어 상대적으로 U-Type 보다 더 낮은
열 저항을 나타내는 것으로 사료된다. 해석결과를 통해서는 3U-Type 열 교환기의 효율이 가장 좋다고 판단할 수 있지만, 실제 지반 조건에 따라서
열 교환율의 변동이 발생할 수도 있고, 또 경제적인 측면, 시공상의 여건 등을 고려해야 하므로 설계자의 판단에 따라서 적절한 열 교환기의 선택이 이루어져야
한다.
Fig. 7는 지반이 완전 건조 상태일 경우(열전도도 0.25 W/mK)와 완전 포화 상태(열전도도 2.4W/mK)일 경우, 타입 별 열효율의 차이를
나타내고 있다. 지반이 건조 상태일 경우, 타입의 종류에 관계없이 열 교환율이 비슷한 값으로 수렴하였지만, 지반이 포화되면 타입의 종류에 따라 그
변화 양상이 다르게 나타났다. 완전포화토의 경우 타입 별 열 교환율은 3U-Type이 55 W/m, W-Type이 52 W/m, U-Type이 44
W/m으로 나타났다. 타입 별 차이를 더 명확히 구분하기 위해 포화/건조 열전도도 비에 대한 열교환율 비를 Fig. 8과 같이 도시하였으며, 정상상태에서
열교환율 비를 비교해볼 때 U-Type에서 3U-Type으로 갈 수록 열교환율이 지반의 포화도에 더 민감하게 반응한다는 것을 확인할 수 있었다. 이는
열원의 분포가 지반 가까이 많이 분포할수록(그라우트에 의한 열 저항이 감소할수록) 주변 지반의 열전도도가 에너지파일의 열효율에 미치는 영향은 더 커지기
때문인 것 사료된다. Fig. 4에 도시된 바와 같이 U-type에서 3U-type으로 갈수록 주변지반에 가까운 열원의 수가 증가하게 되는데 주변지반의
열전도도가 높을 경우, 열원으로부터의 열이 주변지반으로 쉽게 확산이 되며, 열원이 지반 가까이 많이 분포할 수록 확산 정도는 더 커지게 된다. 따라서
U-type에서 3U-type으로 갈수록 열 확산이 커지고 열 교환율이 증가하게 된다. 반면 주변지반의 열전도도가 낮을 경우, 열원분포에 상관없이
열 확산은 보어홀 내부에서 정체되며, 열교환기 Type에 상관없이 낮은 열효율을 나타내게 된다. 또한 Eq. (6)을 이용해서 지반의 포화도에 따른
타입 별 열 저항을 산정하여 Fig. 9에 도시하였다. 주변 지반 열전도도에 따라 파일의 열 저항이 다르게 나타나며, 이를 지반의 포화여부에 대입하면
3U-Type의 경우, 포화토와 건조토에서 약 8.7%의 열 저항 차이를 보였다.
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(a) Heat Transfer Rate
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(b) Average Fluid Temperature
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Fig. 6. Heat Transfer Rate and Average Fluid Temperature for Different Heat Exchanger
Types
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(a) U-Type
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(b) W-Type
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(c) 3U-Type
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Fig. 7. Heat Transfer Rate for Different Ground Conditions (Saturated, Dry)
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3.2 운용방법에 따른 열 거동
구조물마다 사용부하가 다르기 때문에 각각의 부하를 충족시켜주는 가동시간이 요구되지만, 일반적으로 지중열 시스템은 주간 8시간의 가동, 야간 16시간
휴지로 운용하고 있다. 이러한 부분가동을 통하여 열원에 의해 상승되었던 지반의 온도는 다시 원래의 상태로 회복하게 되며, 장기거동에서 나타날 수 있는
지반의 열 축적현상을 방지하여 전체 효율을 유지할 수 있게 된다. 그러나 휴지기간에 지반의 온도가 완전히 회복되는 것이 아니기 때문에 부분가동의 경우에도
어느 정도 열효율 저하가 발생하지만, 연속가동에 비해서는 그 정도가 미미하다고 볼 수 있다.
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Fig. 8. Ratio of Heat Exchange Rate Between Saturated and Dry Condition (Steady State)
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Fig. 9. Borehole Thermal Resistance for Different Ground Conditions (Saturated, Dry)
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(a) U-Type
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(b) W-Type
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(C) 3U-Type
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Fig. 10. Results of Thermal Performance Analysis for Different Operating Methods for
6 Days (Periodic Operation, Continuous Operation)
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Fig. 10은 6일간의 연속가동 및 부분가동 시의 열 성능시험 결과를 보여준다. U와 W, 그리고 3U-Type의 경우, 최초 가동 8시간 후의
열 교환율은 각각 59 W/m, 76 W/m, 84 W/m 이고, 6일째 가동 8시간 후의 열 교환율은 부분 가동 시 각각 51 W/m, 61 W/m,
63 W/m, 연속 가동 시 각각 41 W/m, 48 W/m, 51 W/m 이다. 즉 128시간 경과 후 운용방법에 따라 U-Type은 약 19%,
W-Type은 약 21%, 3U-Type은 약 19%의 차이를 보였으며, 장기적 거동으로 갈수록 더 큰 차이를 나타낼 것으로 예상된다. 타입 별로
지중온도의 회복 정도 차이가 어느 정도 발생하는 것으로 사료되는 바 추후 다양한 접근을 통해 그 원인을 분석해 볼 필요성이 있다. 두 가지 운용방법
모두 열 축적 현상이 필연적으로 발생하지만, 국내의 경우, 여름철 냉방부하로 인해 지반에 축적된 열에너지가 겨울철 난방부하로 상쇄되어 연중 열효율은
거의 일정하게 유지될 수도 있다.
3.3 군 말뚝에 의한 열 간섭
대형 구조물의 기초는 일반적으로 군 말뚝 형태이며, 그 중의 일부분을 선별하여 에너지파일을 시공하게 된다. 이때 기초의 구조적인 안정성이 보장되는
동시에 사용자가 필요로 하는 열 효율을 만족시키는 최적의 배치가 필요하다. 그리고 인접한 에너지파일간에는 상호 열 간섭 현상이 필연적으로 발생하게
되며, 이것은 장기운용으로 갈수록 전체 효율에 큰 영향을 끼치게 된다. 본 연구는 설계단계에서부터 이러한 열 간섭을 최소화 시킬 수 있는 방안이 필요하다고
판단하여, 에너지파일의 최적 배치 및 말뚝 간 최소 이격거리를 제시하고자 하였다. 열 교환기의 유형은 크게 U-Type, W-Type 그리고 3U-Type으로
구분하였으며, 군 말뚝 배치는 Case 1과 Case 2로 설정하여서, 각 Case 별 이격거리를 산정하였다. 이때 이격거리(D)는 인접한 말뚝의
바깥쪽 벽면 사이의 거리라고 정의하였다(Fig. 11). 일반적으로 에너지파일의 운용은 부분가동(8시간 가동, 16시간 휴지)으로 이루어지지만 보수적인
설계를 위해 운용형태는 96시간 연속가동으로 해석을 수행하였다.
Fig. 12와 같이 같이 두 개의 에너지파일 사이의 거리가 가까워짐에 따라 간섭 현상은 필연적으로 일어나며, 이로 인해 발생하는 에너지파일의 열효율
저하를 간과할 수 없다. 따라서 Fig. 14와 같이 이격거리에 따른 간섭에 의한 열 교환 감소율을 나타내어, 간섭을 최소화하는 최적 이격거리를 산정하고자
하였다. 또한 Fig. 13은 지반의 포화도가 군 말뚝의 열간섭에 미치는 영향을 보여주고 있다. 지반이 포화토인 경우, 초반부에는 별다른 차이를 보이지
않지만, 장기거동으로 갈수록 군 말뚝에 의한 열 간섭 현상이 두드러지게 나타난다. 이는 열원의 에너지가 에너지파일 주변의 지반으로까지 축적되기까지는
일정 시간이 소요되며, 그 시간은 최소 하루 이상임을 알 수 있다. 반면, 지반이 건조토인 경우, 열교환기 타입에 상관없이 모든 경우에 대해서 열
간섭 현상이 현저히 줄어들게 된다. 이는 주변지반이 건조할 경우, 열원에 의한 주변지반으로의 열 확산 정도가 상대적으로 미미해져서, 이로 인해 파일간
열 간섭현상도 줄어들기 때문이다.
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Fig. 11. Configuration of Piles Used in the Simulation Model (D: Separation Distance)
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Fig. 12. Isotherm Showing the Thermal Interference Between Two Energy Piles
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Table 4에 나타낸 바와 같이 이격거리 2.75D일 경우, Case 1과 Case 2이 각각 1.1~1.8%, 1.8~2.9%의 열 교환 감소율을
보였는데, 이는 앞서 언급한 다른 인자들에 비해 말뚝의 간섭이 열효율에 미치는 영향이 상대적으로 작은 것으로 판단된다. 한편, Fig. 14를 근거로
열 교환 감소율 1 % 미만을 유지하는 이격거리를 고려할 수 있는데, Case 1과 Case 2에 대한 각각의 이격거리를 산정하여 Table 4에
나타내었다. 제시된 자료를 근거로 보면 Case 2의 경우 Case 1에 비해서 이격거리를 약 12~17% 이상 더 크게 산정해야 함을 알 수 있다.
군 말뚝에 의한 간섭영향은 U나 W보다 3U-Type에서 월등히 높게 일어나지만(Table 5), 다만 지반이 불포화토 상태일 경우에는 열 간섭 현상이
현저히 줄어들게 된다.
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(a) U-Type
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(b) W-Type
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(c) 3U-Type
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Fig. 13. Decrease of Heat Transfer Rate by a Thermal Interference
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(a) U-Type, Case 1
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(b) U-Type, Case 2
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(c) W-Type, Case 1
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(d) W-Type, Case 2
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(e) 3U-Type, Case 1
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(f) 3U -Type, Case 2
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Fig. 14. Decrease of Heat Transfer Rate by a Separation Distance
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4. 결 론
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Table 4. Separation Distance for Different Heat Exchangers
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Decreasing rate (%)
(separation distance=2.75D)
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Separation distance
(Decreasing rate of q less than 1%)
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Heat exchanger
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Case 1
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Case 2
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Case 1
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Case 2
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U
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1.1%
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1.8%
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2.8D
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3.2D
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W
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1.5%
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2.8%
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3.1D
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3.6D
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3U
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1.8%
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2.9%
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3.4D
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3.7D
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Table 5. Decrease of Heat Transfer Rate for a Group Pile (96-hour Operation)
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Heat exchanger
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Single
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Case 1
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Case 2
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q
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q
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*Δq
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q
|
*Δq
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U
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42.251
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41.786
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0.465
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41.476
|
0.755
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W
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49.543
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48.782
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0.760
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48.170
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1.373
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3U
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52.876
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51.945
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0.932
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51.360
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1.516
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*Variance of heat transfer rate compared to single configuration
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본 연구에서는 지반의 조건변화와 열 교환기 타입, 그리고 운용방법 등의 인자들에 의해서 에너지파일의 성능이 영향을 받으며, 지반 상태에 따라 에너지파일
간의 상호 간섭 효과가 달라짐을 확인하였다. 수치해석을 통해 도출한 결론은 다음과 같다.
(1)에너지파일의 열 교환율 및 열 저항은 주변지반의 열전도도 변화에 의해서 작지 않은 영향을 받는다. 완전 건조 상태의 지반과 완전 포화 상태의
지반에 있어서 파일의 열효율은 최대 3배까지 차이를 보이며, 열 저항은 최대 8.7%의 차이가 발생한다. 또한 열 교환기 형태에 따라 지반이 열 효율에
미치는 영향이 다르게 나타나며, U-Type보다 W와 3U-Type으로 갈수록 열효율이 지반의 포화도에 더 민감하게 반응한다. 주변지반의 열전도도가
높을 경우, 열원으로부터의 열이 주변지반으로 쉽게 확산이 되며, U-type에서 3U-type으로 갈수록 열원분포가 지반과 더 가까워져 열 확산이
커짐과 동시에 열교환율이 더 높아지게 된다. 반면 주변지반의 열전도도가 낮을 경우, 열원분포에 상관없이 열 확산은 보어홀 내부에서 정체되며, 열교환기
Type에 상관없이 낮은 열효율을 보이게 된다.
(2)열 교환기의 유형에 따라 에너지파일의 열 성능이 달라지며, 본 연구에서 고려한 지반 조건에서 96시간 연속가동의 수치해석결과 3U-Type이
52W/m로서 가장 높은 열효율을 나타내었다. 또한 정상상태 시 각각의 열 저항은 U-Type이 약 0.19 mK/W, W와 3U-Type 이 각각
0.14 mK/W, 0.12 mK/W로서 열원 접촉 면적 증가와 더불어 열원의 배치가 PHC벽면에 가까울수록 열 저항이 낮게 산정된다.
(3)운용방법에 있어서, 부분가동 시(8시간 가동, 16시간 휴지) 연속가동에 비해서 약 20%의 열효율을 보전할 수 있으며, 장기적인 열 축적현상을
방지하는데 유리하다.
(4)지반의 조건에 따라 군 말뚝에 의한 열 간섭 정도가 달라지는데, 지반이 포화상태에서 건조상태로 갈수록 군 말뚝에 의한 열 간섭효과는 감소한다.
이는 주변지반이 건조할 경우, 열원에 의한 주변지반으로의 열 확산 정도가 상대적으로 미미해져서, 이로 인해 파일간 열 간섭현상도 줄어들기 때문이다.
열 교환 감소율 1%미만을 유지하는 이격거리는 U-Type에서 최대 3.2D, W-Type에서 최대 3.6D, 3U-Type에서 최대3.7D로 산정되었다.
군 말뚝에 의한 간섭영향은 U나 W보다 3U-Type에서 월등히 높게 일어난다.